JP3936621B2 - 遊隙充填引張型制震構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は遊隙充填引張型制震構造に関しより詳しくは耐震強度に優れた露出型柱脚構造および筋かい等の金属構造であって、塑性変形によって地震エネルギを吸収する機能に優れた遊隙充填引張型制震構造に関する。
【０００２】
【従来技術と課題】
従来、露出型柱脚等のコンクリート基礎鋼柱脚構造ないし筋かいは、地震被害対策の要点であり、破壊エネルギの最も集中する場所である事が判っている。
【０００３】
そしてここで生じる引張応力部材であるアンカーボルトもしくは筋かい部材の引張塑性変形によって、遊隙（遊び）が生じ、早急な繰返し震動の場合、次の引張応力がかかるまでに必ず遊隙が生まれるために構造物として必要な強度が出ず、必要とする塑性域におけるエネルギ吸収が充分に行えないという問題点があった。
【０００４】
従来の露出型柱脚は地震に対しアンカーボルトを降伏させ、アンカーボルトの塑性伸びのみで地震エネルギの吸収を行っている。この場合露出型柱脚の復元力特性（荷重−変形履歴曲線）はスリップ型となるが、柱脚により多くの地震エネルギを吸収させようとすると、必然に第１層において大きな層間変形角を生じる事になる。
【０００５】
そしてこの荷重−変形履歴曲線上のスリップは、アンカーボルトの塑性伸びによってベースプレートとナット間に生じる遊隙によって発生する事が実例および実験観察の結果明らかになった。これらの対策としては次のようなものがあった。
【０００６】
従来例としては特開平１０−２９９０８１に記載の発明のように、柱脚の回転剛性を小さくするため、べースプレートとアンカーボルトナットの間に弾性バネを挿入するものがあつた。また特開２００２−４４２２のように柱脚を角鞘状の鞘管で支持するものも提案されているが、これはアンカーボルトで固定したベースプレートを切り離し、４箇のエネルギ吸収部材である低降伏点鋼片を介して柱脚が自由に回動する事を許す手段であって、これらは、所謂ピン柱脚もしくは半固定柱脚と呼ばれるもので、本発明のように繰返し与えられる震動に対して有効な固着とはならない事が明らかである。
【０００７】
即ち前記先行技術ではアンカーボルトの塑性変形で以て地震エネルギを有効に吸収する事が出来なかった。
【０００８】
一方従来のアンカーボルトはネジ部で破断する事が多かったが、最近の転造ネジつきアンカーボルトではネジ部の強度が高いためこのような事がなく、シャフト部の塑性伸びを、例えば伸び率１０％程度まで期待出来るようになった。加えてベースプレートについてもこれの曲げ変形を少なくし、すなわちアンカーボルトの伸び変形抵抗に比して、より変形抵抗を大きくし剛体化する事の方が地震エネルギの吸収に有効である事が判って来た。
【０００９】
また筋かいの場合、特開平１１−３６４４４のように所謂アンボンドブレース（Ｕｎｂｏｎｄ ｂｒａｃｅ）があるが、これは引張と圧縮の両応力に抵抗出来るメリットがあるものの、筋かい材が断面大となると共に複雑化大型化するため、Ｘ字型筋かい構造にする事が困難となり、Ｋ字型ないしＶ字型筋かいを設ける必要が生じるなどの問題点があった。加えてアンボンドブレースは前記遊隙対策にはならなかった。
【００１０】
そこで本発明者は、鋭意実験研究の結果この遊隙をなくす事によってスリップ現象を除去し、従来よりも層間変形角を小さくし、より大きい地震エネルギを吸収可能とする本発明に到達した。
【００１１】
当初遊隙充填手段としては実験途中でアンカーボルトや筋かいのナットを増し締めする事で行って効果を確認したが、実際の建築物に応用する場合、これを自動化する必要があり、更に実験研究の結果、本発明のような自動充填機構を備える遊隙充填型制震構造と呼ぶ本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち本発明者は鋭意実験・研究の結果、遊隙自動充填機構を工夫、導入する事により、引張抵抗力のみを有効活用し、アンカーボルトないし筋かいの塑性域における引張変形のみで地震エネルギを吸収するようにする事が出来るようになった。また従来例では圧縮応力による座屈対策のために必要としたようなアンボンドブレースを用いる事なく圧縮側に座屈が生じず、継続的に充分引張応力に耐える筋かいを得る事が出来るようになった。
【００１３】
【発明の目的】
本発明の第１の目的は、低周波振動が付与される時、先の震動によって生じる遊隙の悪影響を後の震動時に及ばなくする事である。
【００１４】
本発明の第２の目的は特に建築物の鉄骨固定脚柱のモーメントに対するエネルギ吸収能を増し、また筋かいの場合も層間変形角を小さくして遊隙なく直ちに変形抵抗を発揮出来るようにする事である。
【００１５】
本発明の第３の目的は荷重−変形履歴曲線が、露出型柱脚では従来のスリップ型でなくノンスリップ型（原点立上がり型）となり、筋かいでも同様に従来のスリップ型でなく、紡錘型となり、エネルギ吸収が有効に行われるようになり、また、コンピュータによる変形予測もしくは強度計算がし易くなるようにする事である。
【００１６】
【発明の構成】
本発明により、
地震等の振動により、接合部が繰返し引張応力を受ける場合、アンカーボルトまたは筋かいでなる引張応力部材が塑性変形する事により該地震エネルギを吸収する引張型制震構造において、先に生じた接合部間の遊隙が、引張応力に対して略直角方向に弾性体付勢力によって挿入される挿入型楔により自動充填される自動充填機構を備え、次の引張応力が加わる時、接合部間に遊隙なく前記引張応力部材の塑性変形が開始されるようにした事を特徴とする遊隙充填引張型制震構造(請求項１)、
遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造における露出型柱脚のベースプレートとアンカーボルトナット間接合部もしくはX字型の筋かい端部プレートと筋かいナット間接合部である請求項１に記載の遊隙充填引張型制震構造(請求項２)、
挿入型楔の先端傾斜角θが１５°≦θ≦７５°である請求項２に記載の遊隙充填引張型制震構造(請求項３)、
挿入型楔を挿入する弾性体が、コイルバネ、つるまきバネ、板バネ、ゴムクッションの内１または２以上の組合せである請求項２ないし３の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造(請求項４)、
遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造における露出型柱脚のベースプレートとアンカーボルトナット間接合部であり、荷重−変形履歴曲線が常時原点立上がりとなるノンスリップ型をなす請求項１ないし４の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造(請求項５)
および
遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造におけるＸ字型の筋かい端部プレートと筋かいナット間接合部であり、一対の筋かいの荷重−変形履歴曲線が紡錘型をなす請求項１ないし５の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造(請求項６)
が提供される。
【００１７】
以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１８】
【実施例】
図１は震動開始前の柱脚部側面図、図２は震動１／２サイクル後の柱脚部側面図、図３は震動１サイクル後の柱脚部側面図、図４は図１のＡ−Ａ矢視図、図５は図２のＢ−Ｂ矢視図、図６は図３のＣ−Ｃ矢視図、図７は挿入型楔の斜視図、図８は軸力Ｎと反時計廻りのモーメントＭを受けた時の柱脚部側面図、図９は次に軸力Ｎと時計廻りのモーメントＭ'を受けた時の柱脚部側面図、図１０は次に復元して左右アンカーボルトネジ部ナットとベースプレート間に塑性伸びによって遊隙Ｇ_２，Ｇ_２が生じた状況を示す柱脚部側面図、図１１は一方向クラッチを用いた実施例１の側面図、図１２は従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用しない場合）の荷重−変形履歴グラフ、図１３は実施例１（軸力Ｎが作用しない場合）の荷重−変形履歴グラフ、図１４は従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−変形履歴グラフ、図１５は実施例１（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−変形履歴グラフ、図１６は震動開始前の実施例２の側面図、図１７は震動１サイクル後の実施例２側面図、図１８は実施例２の荷重−変形履歴グラフである。
【００１９】
図１〜１８において、
１は実施例１、２００は実施例２、２は柱脚部、４はベースプレート、６はアンカーボルト、６Ａはアンカーボルトネジ部、７はナット、１０，１０Ａ，１０Ｂは夫々挿入型楔、挿入前の挿入型楔、挿入後の挿入型楔であり、１０Ｋはボルト長孔，１０Ｐは傾斜壁、１０Ｓは傾斜面，１１は楔受け、１３はバネ受け、、Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３は遊隙、Ｎは軸力、Ｍはモーメント、Ｃは圧縮反力、Ｖは引張反力、Ｗは隅肉溶接部、１４Ａは圧縮されたコイルバネ、１４Ｂは伸びたコイルバネ、２０はコンクリート基礎，３０は一方向ベアリング、３１はニードルローラ、３２，３３はベアリングレース、３２Ａは傾斜溝、３４は可動リテーナ、３５は押引きコイルバネである。
＜実施例１＞
先ず、柱脚部において、１／２サイクルだけ震動が与えられた時、
すなわち柱脚部に柱脚方向の軸力Ｎと反時計方向のモーメントＭが掛ると柱脚部は図８のような状態となり、ベースプレート左端部を支点として左側に傾く。そしてベースプレート４の剛性が高いと右側アンカーボルト６は短い弾性変形の後降伏し、略鉛直方向の引張塑性変形を生じる。ここで震動エネルギがアンカーボルト６に吸収される事になる。同様に図９は時計方向のモーメントＭ'が加わる場合である。
【００２０】
アンカーボルトの材質はＪＩＳＧ３１３８建築構造用圧延棒鋼のＳＮＲ４００Ａ，ＳＮＲ４００Ｂ，ＳＮＲ４９０Ｂ等が最も普通に用いられるが、筋かい材を含む本発明用途には、一般に降伏比が比較的小さく（７５％以下）、加工硬化係数が比較的小さい塑性伸びし易い材料が望ましい。経済性を度外視すれば上記軟鋼材の他にＺｎ−Ａｌ合金等を超塑性材料として用いる事も出来る。
【００２１】
図７に斜視図を示す挿入型楔について説明する。素材は靭性のある鋳鋼製が望ましい。
【００２２】
次に図９のようにモーメントＭの反対方向（時計方向）に逆モーメントＭ'が働くとベースプレート４の右端部を支点として左側のアンカーボルトが引張られて伸びる事になる。すなわち１サイクル以上の繰返し荷重が与えられると左右１対のアンカーボルトが長手方向に引張応力を受け、塑性伸びが生じる（図１０参照）。
【００２３】
ところが、図９のような従来例では夫々遊隙Ｇ_１，Ｇ_２が生じるので、荷重−変形履歴曲線が図１２もしくは図１４のようになり、再引張位置は原点復帰せず、スリップ型となるので、制震効果が乏しい。
【００２４】
従来例において、因みに図１４の場合は軸力Ｎが作用する場合であり、図１２の場合は軸力Ｎが作用しない場合である。
【００２５】
ところが本発明実施例１では挿入型楔が遊隙Ｇ_２，Ｇ_２…に挿入して遊隙を塞ぐので図１３，図１５のように荷重−変形履歴曲線が原点立ち上がり蝶ネクタイ型（ボウタイ型）となりスリップが生じないから、地震エネルギが吸収され易くなり、制震効果が大きくなる。
【００２６】
なお本発明の挿入型楔の先端傾斜角（頂角）θは１５°≦θ≦７５°であり、更に好ましくは３０°≦θ≦６０°でなければならない。
【００２７】
その限定理由について以下に述べる。
【００２８】
先ずθは、１５°に達しないと挿入型楔の水平移動距離の割に略鉛直方向の距離を稼げないので実際的でないからであり、また楔受けの厚みが小さくなり過ぎ、剛性が小さくなる恐れがあるからであり、７５°を超えると逆に挿入型楔の水平移動距離に比して鉛直移動距離が大きくなり過ぎ、また挿入型楔挿入後の斜面摩擦力が小さくなるだけでなく、ベースプレートの上に露出するアンカーボルト頭部が長大となり、力学的に不安定となるので不都合であるからである。
【００２９】
更に望ましくは３０°≦θ≦６０°であるが、この限定理由は次の通りである。
【００３０】
θが３０°よりも小さいと本発明範囲ではあるものの挿入型楔が全体として薄くなり、剛性が保ち難くなる傾向があり、かつ限られたベースプレート表面積で本発明を実施し難くなるからである。またθが６０°を超えると本発明範囲であってもやや挿入型楔高さが大きくなり、前述のようにアンカーボルト頭部長が長目になるので安定性がやや保ち難くなるからである。また挿入型楔の製造工程においても３０°≦θ≦６０°の場合は最も取り扱い易いメリットもある。
【００３１】
なお、挿入型楔を押す弾性体はコイルバネの代わりに、つるまきバネや、板バネもしくはゴムクッションを用いる事も出来る。またこれらを２以上組み合せてもよい。なお本発明では、従来の引張試験機試料把持部（チャック）に用いられる試片表面と引張方向にすぼまるテーパ楔との試片ラジアル方向または板厚方向の加圧力による摩擦力は不要であり、無関係であるが、本発明における、例えば引張方向と略直交する方向に移動する挿入型楔とベースプレートおよび楔受けとの摩擦面は各摩擦面について摩擦係数が長期（例えば５０年）に亘って楔挿入方向に小さく、後退方向には高く保たれるような表面仕上げ、例えばサンドブラスト処理や亜鉛めっき処理等の表面処理をする事が望ましい。
【００３２】
挿入型楔はアンカーボルトの塑性伸びに生じた遊隙Ｇ_１，Ｇ_２…を充填するためのものであり、ベースプレートと楔受の間に無理矢理圧入させるものではないから、前記コイルバネ等の弾性体付勢力は挿入型楔を地震で生じた前記遊隙に間髪を入れず直ちに自動挿入する程度の強さで足りる。この点は筋かいの実施例２でも同様である。
【００３３】
これらの摩擦面の一部もしくは全部には挿入方向にのみ移動可能な一方向クラッチ３０もしくは同様な傾向のある表面処理を加える事が望ましい（図１１参照）。すなわち挿入型楔とベースプレートもしくは楔受けとの摩擦面の摩擦係数は楔挿入方向の摩擦係数をμ_ｉｎ、後退方向のそれをμ_ｏｕｔとすると、少なくともμ_ｉｎ＜μ_ｏｕｔである事が望ましい。
【００３４】
図１１にニードルローラと傾斜溝付きベアリングレースと可動リテーナでなる一方向クラッチを挿入型楔下面とベースプレート上面間に用いた例の断面図を示す。
【００３５】
これは挿入方向に引張られる押引きコイルバネで繋がれた可動リテーナ３４により、ニードルローラ３１，３１…が傾斜溝の深い方に押されるため、挿入方向にのみ移動可能となり、逆方向にはニードルローラ上下間に強大な圧力が加わって停止するものである。この型の一方向クラッチは特開平１０−６１７４３に開示されている。
【００３６】
＜実施例２＞
実施例２は本発明を筋かいの引張変形に応用した例である。
【００３７】
図１６は繰り返し荷重を受ける前のＸ字型筋かいの側面図、図１７はＸ字配置の筋かいに塑性伸びを起させるような少なくとも１／２サイクルの繰り返し荷重を受けた後のＸ字型筋かい側面図である。
【００３８】
図１〜図１８において、
更に１５Ａ，１５Ｂは筋かい、１７，１８はブラケット、１７Ａ，１８Ａは筋かい取付部、就中１７ A は本発明要素である端部プレートであり、１９はコイルバネ受け、２１は鉛直枠、２２は水平枠、２５は耐力壁である。
【００３９】
通常は図１６のように筋かいは１対の鉛直枠２１と水平枠２２とに囲まれた耐力壁２５内でＸ字型に配置されており、鉛直枠２１，水平枠２２で囲まれた１ブロックが耐力壁２５をなしている。耐力壁２５に剪断力Ｓ_１，Ｓ_２が働くと夫々筋かい１５Ａ，１５Ｂの順に引張り力が働き、降伏すると塑性伸びが生じて地震エネルギが吸収される。
【００４０】
その他方の筋かい１５Ｂ，１５Ａには夫々遊隙Ｇ_３，Ｇ_３が生じるので、実施例１の場合と同様に挿入型楔１０Ａ，１０Ａが前記遊隙Ｇ_３，Ｇ_３に挿入し、遊隙Ｇ_３，Ｇ_３は充填されてから、耐力壁２５にかかる剪断力による歪みは地震サイクル後にはスリップがなくなり、荷重−変形履歴曲線は図１８のように紡錘型となる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明を実施する事により、前記目的のすべてが達成される。すなわち低周波震動が付与される時、先の震動によって生じる遊隙の悪影響を後の震動時に及ばなくする事が出来る。
【００４２】
また建築物の鉄骨固定脚柱のモーメントに対するエネルギ吸収能を増し、筋かいの場合も層間変形角を小さくして遊隙なく直ちに筋かい部材の変形抵抗を発揮出来るようになった。
【００４３】
更に荷重−変形履歴曲線が、露出型柱脚では従来のスリップ型でなくボウタイ型（原点立上がり型）となり、筋かいでも同様に従来のスリップ型でなく、紡錘型となり、エネルギ吸収が有効に行われるようになるので、コンピュータによる変形予測もしくは強度計算がし易くなるという効果をもたらす。
【００４４】
また本発明の挿入型楔でなる遊隙自動充填機構は構造簡単、廉価であり乍ら、作動が確実であり、上記の効果を容易に得る事が出来る。
【００４５】
更に詳しくは、筋かいに本発明を用いると、次のような利点を有する筋かいを得ることが可能となる。
（１）筋かいに圧縮力が作用しない。そのために、座屈防止のための設計が不要である。
（２）筋かい引張力が作用しはじめとすぐに引張抵抗を始めるためスリップ型の復元力特性にはならない。そのため、筋かいとしてのエネルギ吸収能力が最大限に発揮できる。
（３）引張力だけに抵抗するため、筋かいとしての復元力特性は最も簡単な完全弾塑性体モデルとなる。断面積と降伏応力度のみで筋かいを予測できる。更に、端部接合部を保有耐力設計しておれば、筋かいの材長と限界ひずみ度から限界層間変形角も簡単に算出できる。
（４）地震後に筋かいがどの程度塑性伸びを起したか簡単に測定できると共に、その後の余寿命（伸び能力）についても検討可能である。
（５）既存の筋かいについても、端部接合部のわずかな改良により本発明装置は取り付け可能なので、耐震改修の際に、改良型復元力特性を有する筋かいに取り替えることが容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】震動開始前の柱脚部側面図。
【図２】震動１／２サイクル後の柱脚部側面図。
【図３】震動１サイクル後の柱脚部側面図。
【図４】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図５】図２のＢ−Ｂ矢視図。
【図６】図３のＣ−Ｃ矢視図。
【図７】挿入型楔の斜視図。
【図８】軸力Ｎと反時計廻りのモーメントＭを受けた時の柱脚部側面図。
【図９】次に軸力Ｎと時計廻りのモーメントＭ'を受けた時の柱脚部側面図。
【図１０】次に復元して左右アンカーボルトネジ部ナットとベースプレート間に塑性伸びによって遊隙Ｇ_２，Ｇ_２が生じた状況を示す柱脚部側面図。
【図１１】一方向クラッチを用いた実施例１の側面図。
【図１２】従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用しない場合）の荷重−変形履歴グラフ。
【図１３】実施例１（軸力Ｎが作用しない場合）の荷重−変形履歴グラフ。
【図１４】従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−変形履歴グラフ。
【図１５】実施例１（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−変形履歴グラフ。
【図１６】震動開始前の実施例２の側面図。
【図１７】震動１サイクル後の実施例２側面図。
【図１８】実施例２の荷重−変形履歴グラフ。
【符号の説明】
１ 実施例１
２００ 実施例２
２ 柱脚部
４ ベースプレート
６ アンカーボルト
６Ａ アンカーボルトネジ部
７ ナット
１０ 挿入型楔
１０Ａ 挿入前の挿入型楔
１０Ｂ 挿入後の挿入型楔
１０Ｋ ボルト長孔
１０Ｐ 傾斜壁
１０Ｓ 傾斜面
１１ 楔受け
１３ バネ受け
Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３ 遊隙
Ｎ 軸力
Ｍ モーメント
Ｃ 圧縮反力
Ｖ 引張反力
Ｗ 隅肉溶接部
１４Ａ 圧縮されたコイルバネ
１４Ｂ 伸びたコイルバネ
２０ コンクリート基礎
３０ 一方向ベアリング
３１ ニードルローラ
３２，３３ ベアリングレース
３２Ａ 傾斜溝
３４ 可動リテーナ
３５ 押引きコイルバネ
１５Ａ，１５Ｂ 筋かい
１７，１８ ブラケット
１７Ａ，１８Ａ 筋かい取付部
１９ コイルバネ受け
２１ 鉛直枠
２２ 水平枠
２５ 耐力壁

Claims (6)

1. 地震等の振動により、接合部が繰返し引張応力を受ける場合、アンカーボルトまたは筋かいでなる引張応力部材が塑性変形する事により該地震エネルギを吸収する引張型制震構造において、先に生じた接合部間の遊隙が、引張応力に対して略直角方向に弾性体付勢力によって挿入される挿入型楔により自動充填される自動充填機構を備え、次の引張応力が加わる時、接合部間に遊隙なく前記引張応力部材の塑性変形が開始されるようにした事を特徴とする遊隙充填引張型制震構造。
2. 遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造における露出型柱脚のベースプレートとアンカーボルトナット間接合部もしくはX字型の筋かい端部プレートと筋かいナット間接合部である請求項１に記載の遊隙充填引張型制震構造。
3. 挿入型楔の先端傾斜角θが１５°≦θ≦７５°である請求項２に記載の遊隙充填引張型制震構造。
4. 挿入型楔を挿入する弾性体が、コイルバネ、つるまきバネ、板バネ、ゴムクッションの内１または２以上の組合せである請求項２ないし３の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造。
5. 遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造における露出型柱脚のベースプレートとアンカーボルトナット間接合部であり、荷重−変形履歴曲線が常時原点立上がりとなるノンスリップ型をなす請求項１ないし４の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造。
6. 遊隙充填引張型制震構造の接合部が、土木建築構造におけるＸ字型の筋かい端部プレートと筋かいナット間接合部であり、一対の筋かいの荷重−変形履歴曲線が紡錘型をなす請求項１ないし５の内いずれか１項に記載の遊隙充填引張型制震構造。

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